第1章 現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)概述

第1章現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)概述

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，現(xiàn)在已進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期。

近幾年，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，以其應(yīng)用廣泛、通信速率高、成本低廉等優(yōu)勢(shì)引入到工業(yè)控制領(lǐng)域，成為新的熱點(diǎn)。

本章首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行了概述，講述了現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生、現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定、現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)狀和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)講述了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及其通信模型、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)模型分析、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)。然后介紹了比較流行的現(xiàn)場(chǎng)總線FF、CAN和CANFD、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、CC-Link、ControlNet。最后對(duì)常用的工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT、SERCOS、EthernetPOWERLINK、PROFINET和EPA進(jìn)行了介紹。

1.1現(xiàn)場(chǎng)總線概述現(xiàn)場(chǎng)總線（fieldbus）自產(chǎn)生以來(lái)，一直是自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，各自動(dòng)化廠商紛紛推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，并在不同的領(lǐng)域和行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在已處于穩(wěn)定發(fā)展期。近幾年，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)也融入到工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。按照IEC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線一詞的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)。這是由IEC/TC65負(fù)責(zé)測(cè)量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部分國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作的SC65/WG6定義的。

隨著微處理器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了以IC代替常規(guī)電子線路，以微處理器為核心，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產(chǎn)品，其本身具備了諸如自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)調(diào)零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報(bào)告、狀態(tài)報(bào)告、趨勢(shì)圖等功能。通信技術(shù)的發(fā)展，促使傳送數(shù)字化信息的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，基于質(zhì)量分析的維護(hù)管理、與安全相關(guān)系統(tǒng)的測(cè)試的記錄、環(huán)境監(jiān)視需求的增加，都要求儀表能在當(dāng)?shù)靥幚硇畔ⅲ⒃诒匾獣r(shí)允許被管理和訪問(wèn)，這些也使現(xiàn)場(chǎng)儀表與上級(jí)控制系統(tǒng)的通信量大增。另外，從實(shí)際應(yīng)用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護(hù)性、可移植性等方面提出新需求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生。1.1.1

現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生由于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上并未統(tǒng)一，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線也有不同的定義。但現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)含義主要表現(xiàn)在以下6個(gè)方面。1．現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)

用于過(guò)程以及制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)。2．現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表是指?jìng)鞲衅鳌⒆兯推骱蛨?zhí)行器等，這些設(shè)備通過(guò)一對(duì)傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。1.1.2

現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)3．互操作性現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表種類繁多，沒(méi)有任何一家制造商可以提供一個(gè)工廠所需的全部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花很大氣力，而希望選用各制造商性能價(jià)格比最優(yōu)的產(chǎn)品，并將其集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即接即用”；用戶希望對(duì)不同品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成他所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備互操作性的含義。4．分散功能塊

FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。

由于功能塊分散在多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。5．通信線供電

通信線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線上攝取能量，對(duì)于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場(chǎng)儀表，可采用這種供電方式。眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都必須嚴(yán)格遵循安全防爆標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備也不例外。6．開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)，它既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的共享。不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡(jiǎn)便，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS。1．現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。

傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接。位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開(kāi)關(guān)、馬達(dá)之間均為一對(duì)一的物理連接。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1-1所示。1.1.3

現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)圖1-1FCS與DCS結(jié)構(gòu)比較2．現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)（1）系統(tǒng)的開(kāi)放性；（2）互可操作性與互用性；（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性；（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；（5）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。3．現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)

由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資；（2）節(jié)省安裝費(fèi)用；（3）節(jié)約維護(hù)開(kāi)銷；（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)；（5）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展完全不同于模擬技術(shù)，數(shù)字技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定往往早于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)決定著新興產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（IEC/ISA）自1984年起著手現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)工作，但統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)至今仍未完成。IECTC65（負(fù)責(zé)工業(yè)測(cè)量和控制的第65標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)）于1999年底通過(guò)的8種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線作為IEC61158最早的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

最新的IEC61158Ed.4標(biāo)準(zhǔn)于2007年7月出版。IEC61158第四版由多個(gè)部分組成，主要包括以下內(nèi)容：IEC61158–1總論與導(dǎo)則IEC61158–2物理層服務(wù)定義與協(xié)議規(guī)范IEC61158–300數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)定義IEC61158–600應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范1.1.4現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定IEC61158–500應(yīng)用層服務(wù)定義IEC61158–600應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范IEC61158Ed.4標(biāo)準(zhǔn)包括的現(xiàn)場(chǎng)總線類型如下：Type1IEC61158（FF的H1）Type2CIP現(xiàn)場(chǎng)總線Type3PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線Type4P-Net現(xiàn)場(chǎng)總線Type5FFHSE現(xiàn)場(chǎng)總線Type6SwiftNet被撤銷Type7WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線Type8INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線Type9FFH1以太網(wǎng)Type10PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type11TCnet實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type12EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type13EthernetPowerlink實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type14EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type15Modbus-RTPS實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type16SERCOSI、II現(xiàn)場(chǎng)總線Type17VNET/IP實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type18CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線Type19SERCOSIII現(xiàn)場(chǎng)總線Type20HART現(xiàn)場(chǎng)總線

國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（IEC/ISA）自1984年起著手現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)工作，但統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)至今仍未完成。同時(shí)，世界上許多公司也推出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。但太多存在差異的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，會(huì)給實(shí)踐帶來(lái)復(fù)雜性和不便，影響開(kāi)放性和可互操作性。因而在最近幾年里開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一工作，減少現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的數(shù)量，以達(dá)到單一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的目標(biāo)。各種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)合并的目的是為了達(dá)到國(guó)際上統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)各家產(chǎn)品的互操作性。1．多種總線共存2．每種總線各有其應(yīng)用領(lǐng)域3．每種總線各有其國(guó)際組織4．每種總線均有其支持背景

1.1.5

現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)狀5．設(shè)備制造商參加多個(gè)總線組織6．多種總線均作為國(guó)家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)7．協(xié)調(diào)共存8．工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領(lǐng)域

各個(gè)公司生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但是各公司在制定自己的通信協(xié)議時(shí)，都參考OSI七層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，且大都采用了其中的第1層、第2層和第7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并增設(shè)了第8層即用戶層。1．物理層

物理層定義了信號(hào)的編碼與傳送方式、傳送介質(zhì)、接口的電氣及機(jī)械特性、信號(hào)傳輸速率等。現(xiàn)場(chǎng)總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但頻帶利用率低，后者剛好相反。Manchester編碼采用基帶傳輸，而NRZ編碼采用頻帶傳輸。調(diào)制方式主要有CPFSK和COFSK。現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸介質(zhì)主要有有線電纜、光纖和無(wú)線介質(zhì)。1.1.6

現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個(gè)子層，即介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。MAC功能是對(duì)傳輸介質(zhì)傳送的信號(hào)進(jìn)行發(fā)送和接收控制，而LLC層則是對(duì)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定的設(shè)備上?，F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以是主站，也可以是從站，主站有控制收發(fā)數(shù)據(jù)的權(quán)利，而從站則只有響應(yīng)主站訪問(wèn)的權(quán)利。3．應(yīng)用層

應(yīng)用層可以分為兩個(gè)子層，上面子層是應(yīng)用服務(wù)層（FMS層），它為用戶提供服務(wù)；下面子層是現(xiàn)場(chǎng)總線存取層（FAS層），它實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的連接。

應(yīng)用層的功能是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的傳送及現(xiàn)場(chǎng)總線變量的訪問(wèn)。它為用戶應(yīng)用提供接口，定義了如何應(yīng)用讀、寫、中斷和操作信息及命令，同時(shí)定義了信息、句法（包括請(qǐng)求、執(zhí)行及響應(yīng)信息）的格式和內(nèi)容。應(yīng)用層的管理功能在初始化期間初始化網(wǎng)絡(luò)，指定標(biāo)記和地址。同時(shí)按計(jì)劃配置應(yīng)用層，也對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，統(tǒng)計(jì)失敗和檢測(cè)新加入或退出網(wǎng)絡(luò)的裝置。4．用戶層

用戶層是現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)在OSI模型之外新增加的一層，是使現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)開(kāi)放與可互操作性的關(guān)鍵。1.2工業(yè)以太網(wǎng)概述

20世紀(jì)70年代早期，國(guó)際上公認(rèn)的第一個(gè)以太網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)于Xerox公司的PaloAltoResearchCenter（PARC），它以無(wú)源電纜作為總線來(lái)傳送數(shù)據(jù)，在1000m的電纜上連接了100多臺(tái)計(jì)算機(jī)，并以曾經(jīng)在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來(lái)命名，這就是如今以太網(wǎng)的鼻祖。

以太網(wǎng)的主要標(biāo)準(zhǔn)如表1-3所示。1.2.1

以太網(wǎng)技術(shù)表1-3以太網(wǎng)的主要標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容描述IEEE802.1體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、管理IEEE802.2邏輯鏈路控制IEEE802.3CSMA/CD媒體訪問(wèn)控制方法與物理層規(guī)范IEEE802.3i10Base-T基帶雙絞線訪問(wèn)控制方法與物理層規(guī)范IEEE802.3j10Base-F光纖訪問(wèn)控制方法與物理層規(guī)范IEEE802.3u100Base-T、FX、TX、T4快速以太網(wǎng)IEEE802.3x全雙工IEEE802.3z千兆以太網(wǎng)IEEE802.3ae10Gbit/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3af以太網(wǎng)供電IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)訪問(wèn)控制方法與物理層規(guī)范IEEE802.3az100Gbit/s的以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范

人們習(xí)慣將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)。

如果仔細(xì)劃分，按照國(guó)際電工委員會(huì)SC65C的定義，工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境、符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)、按照IEEE802.1D“媒體訪問(wèn)控制（MAC）網(wǎng)橋”規(guī)范和IEEE802.1Q“局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋”規(guī)范、對(duì)其沒(méi)有進(jìn)行任何實(shí)時(shí)擴(kuò)展（extension）而實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)。通過(guò)采用減輕以太網(wǎng)負(fù)荷、提高網(wǎng)絡(luò)速度、采用交換式以太網(wǎng)和全雙工通信、采用信息優(yōu)先級(jí)和流量控制以及虛擬局域網(wǎng)等技術(shù)，到目前為止可以將工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間做到5~10ms，相當(dāng)于現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線。

采用工業(yè)以太網(wǎng)，由于具有相同的通信協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。

1.2.2工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

工業(yè)以太網(wǎng)即應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，它在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但又必須滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信的需求。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、可靠性、抗干擾能力、實(shí)時(shí)性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的應(yīng)用。一般而言，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足以下要求。（1）具有較好的響應(yīng)實(shí)時(shí)性工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動(dòng)化控制中還要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實(shí)時(shí)性好。（2）可靠性和容錯(cuò)性要求：既能安裝在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，且能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，在網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時(shí)間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路。（3）力求簡(jiǎn)潔：減小軟硬件開(kāi)銷，從而降低設(shè)備成本，同時(shí)也可以提高系統(tǒng)的健壯性。（4）環(huán)境適應(yīng)性要求：包括機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性（如耐振動(dòng)、耐沖擊）、氣候環(huán)境適應(yīng)性（工作溫度要求為-40℃~85℃，至少為-20℃~70℃，并要耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2/EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)。（5）開(kāi)放性好：由于以太網(wǎng)技術(shù)被大多數(shù)的設(shè)備制造商所支持，并且具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，系統(tǒng)集成和擴(kuò)展更加容易。（6）安全性要求：在易爆可燃的場(chǎng)合，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質(zhì)安全。（7）總線供電要求：即要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時(shí)總線供電還能減少線纜，降低成本。IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)對(duì)總線供電進(jìn)行了規(guī)范。（8）安裝方便：適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導(dǎo)軌安裝。

工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型如圖1-2所示。1.2.3

工業(yè)以太網(wǎng)通信模型圖1-2工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型

工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)相比，具有以下特征：（1）通信實(shí)時(shí)性

在工業(yè)以太網(wǎng)中，提高通信實(shí)時(shí)性的措施主要包括采用交換式集線器、使用全雙工（full-duplex）通信模式、采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)、提高質(zhì)量服務(wù)（QoS）、有效的應(yīng)用任務(wù)的調(diào)度等。（2）環(huán)境適應(yīng)性和安全性

首先，針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)、粉塵、高溫和低溫、高濕度等惡劣環(huán)境，對(duì)設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品針對(duì)機(jī)械環(huán)境、氣候環(huán)境、電磁環(huán)境等需求，對(duì)線纜、接口、屏蔽等方面做出專門的設(shè)計(jì)，符合工業(yè)環(huán)境的要求。

在易燃易爆的場(chǎng)合，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品通過(guò)包括隔爆和本質(zhì)安全兩種方式來(lái)提高設(shè)備的生產(chǎn)安全性。

在信息安全方面，利用網(wǎng)關(guān)構(gòu)建系統(tǒng)的有效屏障，對(duì)經(jīng)過(guò)它的數(shù)據(jù)包進(jìn)行過(guò)濾。同事隨著加密解密技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)的進(jìn)一步融合，工業(yè)以太網(wǎng)的信息安全性也得到了進(jìn)一步的保障。（3）產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)

工業(yè)控制的高可靠性通常包含三個(gè)方面內(nèi)容：可使用性好，網(wǎng)絡(luò)自身不易發(fā)生故障；容錯(cuò)能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)局部單元出現(xiàn)故障，不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作；可維護(hù)性高，故障發(fā)生后能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和及時(shí)處理，通過(guò)維修使網(wǎng)絡(luò)及時(shí)恢復(fù)。（4）網(wǎng)絡(luò)可用性在工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)中，通常采用冗余技術(shù)以提高網(wǎng)絡(luò)的可用性，主要有端口冗余、鏈路冗余、設(shè)備冗余和環(huán)網(wǎng)冗余。

以太網(wǎng)發(fā)展到工業(yè)以太網(wǎng)，從技術(shù)方面來(lái)看，與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）應(yīng)用廣泛；（2）成本低廉；（3）通信速率高；（4）開(kāi)放性和兼容性好，易于信息集成；（5）控制算法簡(jiǎn)單；（6）軟硬件資源豐富；（7）不需要中央控制站；（8）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?；?）易于與Internet連接。1.2.4

工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)IEC61784-2-2010標(biāo)準(zhǔn)定義，所謂實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，就是根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)通信的要求和特點(diǎn)，在ISO/IEC8802-3協(xié)議基礎(chǔ)上，通過(guò)增加一些必要的措施，使之具有實(shí)時(shí)通信能力：（1）網(wǎng)絡(luò)通信在時(shí)間上的確定性，即在時(shí)間上，任務(wù)的行為可以預(yù)測(cè)；（2）實(shí)時(shí)響應(yīng)適應(yīng)外部環(huán)境的變化，包括任務(wù)的變化、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增/減、網(wǎng)絡(luò)失效診斷等；（3）減少通信處理延遲，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的信息交互在極小的通信延遲時(shí)間內(nèi)完成。2007年出版的IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和IEC61784-2實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)收錄了以下十種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)和協(xié)議如表1-5所示。1.2.5

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)表1-5IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)收錄的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)名稱技術(shù)來(lái)源應(yīng)用領(lǐng)域Ethernet/IP美國(guó)Rockwell公司過(guò)程控制PROFINET德國(guó)Siemens公司過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制P-NET丹麥Process-DataA/S公司過(guò)程控制Vnet/IP日本Yokogawa橫河過(guò)程控制TC-net東芝公司過(guò)程控制EtherCAT德國(guó)Beckhoff公司運(yùn)動(dòng)控制EthernetPowerlink奧地利B&R公司運(yùn)動(dòng)控制EPA浙江大學(xué)、浙江中控公司等過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制Modbus/TCP法國(guó)Schneider-electric公司過(guò)程控制SERCOS-III德國(guó)Hilscher公司運(yùn)動(dòng)控制

實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)采用不同的實(shí)時(shí)策略來(lái)提高實(shí)時(shí)性能，根據(jù)其提高實(shí)時(shí)性策略的不同，實(shí)現(xiàn)模型可分為3種。實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模型如圖1-3所示。1.2.6

實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)模型分析圖1-3實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模型幾種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的對(duì)比如表1-7所示。1.2.7

幾種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的比較表1-7幾種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的對(duì)比實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCATSERCOSⅢPROFINETIRTPOWERLINKEPAEthernet/IP管理組織ETGIGSPNOEPGEPA俱樂(lè)部ODVA通信機(jī)構(gòu)主/從主/從主/從主/從C/SC/S傳輸模式全雙工全雙工半雙工半雙工全雙工全雙工實(shí)時(shí)特性100軸，響應(yīng)時(shí)間100μs8個(gè)軸，響應(yīng)時(shí)間32.5μs100軸，響應(yīng)時(shí)間1ms100軸，響應(yīng)時(shí)間1ms同步精度為μs級(jí)，通信周期為

ms級(jí)1~5ms拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形、線形、環(huán)形、樹(shù)形、總線形線形、環(huán)形星形、線形星形、樹(shù)形、總線形樹(shù)形、星形星形、樹(shù)形同步方法時(shí)間片+IEEE1588主節(jié)點(diǎn)+循環(huán)周期時(shí)間槽調(diào)度+IEEE1588時(shí)間片+IEEE1588IEEE1588IEEE1588同步精度100ns<1μs1μs1μs500ns1μs1.3企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和Internet、Intranet等類型的信息網(wǎng)絡(luò)不同，控制網(wǎng)絡(luò)直接面向生產(chǎn)過(guò)程，因此要求有很高的實(shí)時(shí)性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性和可用性。

為滿足這些特性，現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作了簡(jiǎn)化，一般只包括ISO/OSI7層模型中的3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。此外，現(xiàn)場(chǎng)總線還要完成與上層工廠信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和傳遞。

基于上述考慮，統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)應(yīng)具有3層結(jié)構(gòu)，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1-5所示，從底向上依次為：過(guò)程控制層（PCS）、制造執(zhí)行層（MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）。1.3.1

企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖1-5企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1．過(guò)程控制層

現(xiàn)場(chǎng)總線是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò)，遵循ISO的OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通信協(xié)議。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)則是用開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制通信網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下幾種。（1）環(huán)形網(wǎng)

其特點(diǎn)是時(shí)延確定性好，重載時(shí)網(wǎng)絡(luò)效率高，但輕載時(shí)等待令牌產(chǎn)生不必要的時(shí)延，傳輸效率下降。（2）總線網(wǎng)

其特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)接入方便，成本低。輕載時(shí)時(shí)延小，但網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷較重時(shí)時(shí)延加大，網(wǎng)絡(luò)效率下降。此外傳輸時(shí)延不確定。（3）樹(shù)形網(wǎng)

其特點(diǎn)是可擴(kuò)展性好，頻帶較寬，但節(jié)點(diǎn)間通信不便。（4）令牌總線網(wǎng)結(jié)合環(huán)形網(wǎng)和總線網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，即物理上是總線網(wǎng)，邏輯上是令牌網(wǎng)。這樣，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延確定無(wú)沖突，同時(shí)節(jié)點(diǎn)接入方便，可靠性好。

過(guò)程控制層通信介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線、無(wú)線、紅外線等各種形式。2．制造執(zhí)行層

這一層從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和趨勢(shì)分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設(shè)計(jì)和下裝。制造執(zhí)行層的功能一般由上位計(jì)算機(jī)完成，它通過(guò)擴(kuò)展槽中網(wǎng)絡(luò)接口板與現(xiàn)場(chǎng)總線相連，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，或者通過(guò)專門的現(xiàn)場(chǎng)總線接口（轉(zhuǎn)換器）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接，這種方式使系統(tǒng)配置更加靈活。3．企業(yè)資源規(guī)劃層

其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建一個(gè)安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。首先要將中間監(jiān)控層的數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息轉(zhuǎn)入上層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣遠(yuǎn)程用戶就能隨時(shí)通過(guò)瀏覽器查詢網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工況，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。4．現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)的區(qū)別

現(xiàn)場(chǎng)總線與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相比，主要有以下特點(diǎn)：（1）現(xiàn)場(chǎng)總線主要用于對(duì)生產(chǎn)、生活設(shè)備的控制，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)檢測(cè)、監(jiān)視與控制，或?qū)崿F(xiàn)“家庭自動(dòng)化”等；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)則主要用于通信、辦公，提供如文字、聲音和圖像等數(shù)據(jù)信息；

（2）現(xiàn)場(chǎng)總線和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)具有各自的技術(shù)特點(diǎn)：控制網(wǎng)絡(luò)信息/控制網(wǎng)絡(luò)最低層，要求具備高度的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性，網(wǎng)絡(luò)接口盡可能簡(jiǎn)單，成本盡量降低，數(shù)據(jù)傳輸量一般較?。粩?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)則需要適應(yīng)大批量數(shù)據(jù)的傳輸與處理；（3）現(xiàn)場(chǎng)總線采用全數(shù)字式通信，具有開(kāi)放式、全分布、互操作性（Interoperability）等特點(diǎn)；（4）在現(xiàn)代生產(chǎn)和社會(huì)生活中，這兩種網(wǎng)絡(luò)將具有越來(lái)越緊密的聯(lián)系。兩者的不同特點(diǎn)決定了它們的需求互補(bǔ)以及它們之間需要信息交換。控制網(wǎng)絡(luò)信息與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息的結(jié)合，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，可以更好地調(diào)度和優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)控制、管理、經(jīng)營(yíng)一體化創(chuàng)造了條件。

現(xiàn)場(chǎng)總線與管理信息網(wǎng)絡(luò)特性比較如表1-8所示。

表1-8現(xiàn)場(chǎng)總線與管理信息網(wǎng)絡(luò)特性比較特

性現(xiàn)場(chǎng)總線管理信息網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視與控制能力強(qiáng)弱可靠性與故障容限高高實(shí)時(shí)響應(yīng)快中信息報(bào)文長(zhǎng)度短長(zhǎng)OSI相容性低中、高體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議復(fù)雜性低中、高通信功能級(jí)別中級(jí)大范圍通信速率低、中高抗干擾能力強(qiáng)中

現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)處于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的底層，或者說(shuō)，它是構(gòu)成企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。而生產(chǎn)過(guò)程的控制參數(shù)與設(shè)備狀態(tài)等信息是企業(yè)信息的重要組成部分。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)各功能層次的網(wǎng)絡(luò)類型如圖1-6所示。從圖中可以看出，除現(xiàn)場(chǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)外，上面的ERP和MES都采用以太網(wǎng)。1.3.2現(xiàn)場(chǎng)總線的作用圖1-6各功能層次的網(wǎng)絡(luò)類型

由于現(xiàn)場(chǎng)總線所處的特殊環(huán)境及所承擔(dān)的實(shí)時(shí)控制任務(wù)是普通局域網(wǎng)和以太網(wǎng)技術(shù)難以取代的，因而現(xiàn)場(chǎng)總線至今依然保持著它在現(xiàn)場(chǎng)控制層的地位和作用。但現(xiàn)場(chǎng)總線需要同上層與外界實(shí)現(xiàn)信息交換。

目前，現(xiàn)場(chǎng)總線與上層網(wǎng)絡(luò)的連接方式一般有以下三種：

一是采用專用網(wǎng)關(guān)完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段或DCS連接到以太網(wǎng)上。圖1-7示出了通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)的示意圖。

二是將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機(jī)的PCI插槽內(nèi)，在PC機(jī)內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。在圖1-8中采用現(xiàn)場(chǎng)總線的PCI卡，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)的連接。

1.3.3現(xiàn)場(chǎng)總線與上層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)三是將Web服務(wù)器直接置入PLC或現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備內(nèi)，借助Web服務(wù)器和通用瀏覽工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)交互。這是近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直接應(yīng)用的結(jié)果，但它需要有一直延伸到工廠底層的以太網(wǎng)支持。正是因?yàn)榭刂圃O(shè)備內(nèi)嵌Web服務(wù)器，使得現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備有條件直接通向互聯(lián)網(wǎng)，與外界直接溝通信息。而在這之前，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備是不能直接與外界溝通信息的。圖1-7通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)圖1-8采用PCI卡連接現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線要適合企業(yè)的需要，選擇現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)考慮以下因素。1．控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（1）適應(yīng)工業(yè)控制應(yīng)用環(huán)境，要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，安全性好；（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖菧y(cè)控?cái)?shù)據(jù)及其相關(guān)信息，因而多為短幀信息，傳輸速率低；（3）用戶從滿足應(yīng)用需要的角度去選擇、評(píng)判。2．標(biāo)準(zhǔn)支持

國(guó)際、國(guó)家、地區(qū)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1.3.4現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)集成應(yīng)考慮的因素3．網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

支持的介質(zhì)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；最大長(zhǎng)度/段；本質(zhì)安全；總線供電；最大電流；可尋址的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)；可掛接的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)；介質(zhì)冗余等。4．網(wǎng)絡(luò)性能

傳輸速率；時(shí)間同步準(zhǔn)確度；執(zhí)行同步準(zhǔn)確度；媒體訪問(wèn)控制方式；發(fā)布/預(yù)訂接收能力；報(bào)文分段能力（報(bào)文大小限制，最大數(shù)據(jù)/報(bào)文段）；設(shè)備識(shí)別；位號(hào)名分配；節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的直接傳輸；支持多段網(wǎng)絡(luò)；可尋址的最大網(wǎng)段數(shù)。5．測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用考慮

功能塊；應(yīng)用對(duì)象；設(shè)備描述。6．市場(chǎng)因素

供應(yīng)商供貨的成套性、持久性、地區(qū)性、產(chǎn)品互換性和性能價(jià)格比。7．其他因素

一致性測(cè)試；互操作測(cè)試機(jī)制。1.4現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

由于技術(shù)和利益的原因，目前國(guó)際上存在著幾十種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，比較流行的主要有FF、CAN、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、HART、INTERBUS、CC-Link、ControlNet、WorldFIP、P-Net、SwiftNet等現(xiàn)場(chǎng)總線。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，即FoundationFieldbus，簡(jiǎn)稱FF，這是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。

以美國(guó)Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂了ISP協(xié)議；以Honeywell公司為首、聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂了WorldFIP協(xié)議。1994年9月，制訂上述兩種協(xié)議的多家公司成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，致力于開(kāi)發(fā)出國(guó)際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。它以ISO/OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。

1.4.1FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kbit/s，通信距離可達(dá)1900m（可加中繼器延長(zhǎng)），可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為1Mbit/s和2.5Mbit/s兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無(wú)線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。

CAN是控制器局域網(wǎng)ControllerAreaNetwork的簡(jiǎn)稱，最早由德國(guó)BOSCH公司提出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過(guò)，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線，在40m的距離時(shí)，通信速率最高可達(dá)1Mbit/s；在通信速率為5kbit/s時(shí)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，可掛接設(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。1.4.2CAN和CANFDCAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。已有多家公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信控制器，如NXP公司的SJA1000、Mirochip公司的MCP2515、內(nèi)嵌CAN通信控制器的ARM和DSP等。還有插在PC機(jī)上的CAN總線適配器，具有接口簡(jiǎn)單、編程方便、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。在汽車領(lǐng)域，隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求的增加，傳統(tǒng)的CAN總線由于帶寬的限制難以滿足這種增加的需求。

因此，汽車制造商為了提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，將越來(lái)越多的功能集成到了汽車上。ECU（電子控制單元）大量地增加使總線負(fù)載率急劇增大，傳統(tǒng)的CAN總線越來(lái)越顯得力不從心。

此外為了縮小CAN網(wǎng)絡(luò)（最大1Mbit/s）與FlexRay（最大10Mbit/s）網(wǎng)絡(luò)的帶寬差距，BOSCH公司2011年推出了CANFD（CANwithFlexibleData-Rate）方案。

在現(xiàn)代的控制系統(tǒng)中，不僅要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成本地的控制、監(jiān)視、診斷等任務(wù)，還要能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與其他控制設(shè)備及PLC進(jìn)行對(duì)等通信，因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多設(shè)計(jì)成內(nèi)置智能式?；谶@樣的現(xiàn)狀，美國(guó)RockwellAutomation公司于1994年推出了DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)低成本高性能的工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。DeviceNet是一種低成本的通信連接，它將工業(yè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，從而免去了昂貴的硬接線。

DeviceNet是一個(gè)開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范和協(xié)議都是開(kāi)放的，廠商將設(shè)備連接到系統(tǒng)時(shí)，無(wú)需購(gòu)買硬件、軟件或許可權(quán)。任何人都能以少量的復(fù)制成本從開(kāi)放式DeviceNet供貨商協(xié)會(huì)（ODVA）獲得DeviceNet規(guī)范。任何制造DeviceNet產(chǎn)品的公司都可以加入ODVA，并參加對(duì)DeviceNet規(guī)范進(jìn)行增補(bǔ)的技術(shù)工作組。1.4.3DeviceNetDeviceNet具有如下特點(diǎn)：（1）DeviceNet基于CAN總線技術(shù)，它可連接開(kāi)關(guān)、光電傳感器、閥組、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、過(guò)程傳感器、變頻調(diào)速設(shè)備、固態(tài)過(guò)載保護(hù)裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機(jī)界面等，傳輸速率為125~500kbit/s，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)是64個(gè)，干線長(zhǎng)度100~500m。（2）DeviceNet使用的通信模式是：生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）。該模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)存取同一源數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)通信效率更高；采用多信道廣播信息發(fā)送方式，各個(gè)客戶可在同一時(shí)間接收到生產(chǎn)者所發(fā)送的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)利用率更高。（3）設(shè)備可互換性。各個(gè)銷售商所生產(chǎn)的符合DeviceNet網(wǎng)絡(luò)和行規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單裝置（如按鈕、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、光電傳感器、限位開(kāi)關(guān)等）都可以互換，為用戶提供靈活性和可選擇性。（4）DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以隨時(shí)連接或斷開(kāi)，而不會(huì)影響網(wǎng)上其他設(shè)備的運(yùn)行，方便維護(hù)和減少維修費(fèi)用，也便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和改造。（5）DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備安裝比傳統(tǒng)的I/O布線更加節(jié)省費(fèi)用，尤其是當(dāng)設(shè)備分布在幾百米范圍內(nèi)時(shí)，更有利于降低布線安裝成本；（6）利用RSNetworkforDeviceNet軟件可方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行配置、測(cè)試和管理。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備以圖形方式顯示工作狀態(tài)，一目了然。2000年2月上海電器科學(xué)研究所與ODVA簽署合作協(xié)議，共同籌建ODVAChina，目的是把DeviceNet這一先進(jìn)技術(shù)引入中國(guó)，促進(jìn)我國(guó)自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展。2002年10月8日，DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線被批準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為GB/T18858.3-2002，名稱為《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備控制器——設(shè)備接口（CDI）第3部分：DeviceNet》。該標(biāo)準(zhǔn)于2003年4月1日開(kāi)始實(shí)施。

美國(guó)Echelon公司于1992年成功推出了LonWorks智能控制網(wǎng)絡(luò)。LON（LocalOperatingNetworks）總線是該公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，Echelon公司開(kāi)發(fā)了LonWorks技術(shù)，為L(zhǎng)ON總線設(shè)計(jì)和成品化提供了一套完整的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其通信協(xié)議LonTalk支持OSI/RM的所有七層模型，這是LON總線最突出的特點(diǎn)。LonTalk協(xié)議通過(guò)神經(jīng)元芯片（NeuronChip）上的硬件和固件（firmware）實(shí)現(xiàn)，提供介質(zhì)存取、事務(wù)確認(rèn)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信服務(wù)；還有一些如認(rèn)證、優(yōu)先級(jí)傳輸、單一/廣播/組播消息發(fā)送等高級(jí)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線形、星形、環(huán)形和混合形，可實(shí)現(xiàn)自由組合。另外，通信介質(zhì)支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線和電力線等。應(yīng)用程序采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。1.4.4LonWorksLonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于各主要工業(yè)領(lǐng)域，如工廠廠房自動(dòng)化、生產(chǎn)過(guò)程控制、樓宇及家庭自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和運(yùn)輸業(yè)等，為實(shí)現(xiàn)智能控制網(wǎng)絡(luò)提供完整的解決方案。2005年之前，LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片（NeuronChip）。神經(jīng)元芯片主要有3120和3150兩大系列，生產(chǎn)廠家最早的有Motorola公司和TOSHIBA公司，后來(lái)生產(chǎn)神經(jīng)元芯片的廠家是TOSHIBA公司和美國(guó)的Cypress公司。TOSHIBA公司生產(chǎn)的神經(jīng)元芯片型號(hào)為TMPN3120和TMPN3150兩個(gè)系列。TMPN3120不支持外部存儲(chǔ)器，它本身帶有EEPROM；TMPN3150支持外部存儲(chǔ)器，適合功能較為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合。Cypress公司生產(chǎn)的神經(jīng)元芯片型號(hào)為CY7C53120和CY7C53150兩個(gè)系列。2005年之后，上述神經(jīng)元芯片不再給用戶供貨，Echelon公司主推FT智能收發(fā)器和Neuron處理器。2018年9月，總部位于美國(guó)加州的AdestoTechnologies（阿德斯托技術(shù)）公司收購(gòu)了Echelon公司。Adesto公司成功推出的FT6050智能收發(fā)器和Neuron6050處理器是用于現(xiàn)代化和整合智能控制網(wǎng)絡(luò)的片上系統(tǒng)。PROFIBUS是作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線，ISO/OSI模型也是它的參考模型。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等一般自動(dòng)化。PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類型，它遵從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。

該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的。1.4.5PROFIBUS

它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標(biāo)準(zhǔn)第一部分的子集，DP型隱去了3~7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第3~6層，采用了應(yīng)用層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分。PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過(guò)程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2（H1）標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。

PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6kbit/s~12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6kbit/s時(shí)為1200m，1.5Mbit/s時(shí)為200m，可用中繼器延長(zhǎng)至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。

在1996年11月，以三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司以“多廠家設(shè)備環(huán)境、高性能、省配線”理念開(kāi)發(fā)、公布和開(kāi)放了現(xiàn)場(chǎng)總線CC-Link，第一次正式向市場(chǎng)推出了CC-Link這一全新的多廠商、高性能、省配線的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。并于1997年獲得日本電機(jī)工業(yè)會(huì)（JEMA）頒發(fā)的杰出技術(shù)成就獎(jiǎng)。CC-Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱。即：在工控系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時(shí)以10Mbit/s高速傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。CC-Link具有性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡(jiǎn)單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點(diǎn)。作為開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，CC-Link是惟一起源于亞洲地區(qū)的總線系統(tǒng)，CC-Link的技術(shù)特點(diǎn)尤其適合亞洲人的思維習(xí)慣。1998年，汽車行業(yè)的馬自達(dá)、五十鈴、雅馬哈、通用、鈴木等也成為了CC-Link的用戶，而且CC-Link迅速進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。

1.4.6CC-Link

為了使用戶能更方便地選擇和配置自己的CC-Link系統(tǒng)，2000年11月，CC-Link協(xié)會(huì)（CC-LinkPartnerAssociation簡(jiǎn)稱CLPA）在日本成立。CLPA由“Woodhead”、“Contec”、“Digital”、“NEC”、“松下電工”和“三菱電機(jī)”等6個(gè)常務(wù)理事會(huì)員發(fā)起。到2002年3月底，CLPA在全球擁有252家會(huì)員公司，其中包括浙大中控、中科軟大等幾家中國(guó)大陸地區(qū)的會(huì)員公司。CC-Link是一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡(jiǎn)單、成本較低的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，其在中國(guó)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用有著廣闊的前景。1.CC-Link現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的組成與特點(diǎn)CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線由CC-Link、CC-Link/LT、CC-LinkSafety、CC-LinkIEControl、CC-LinkIEField、SLMP組成。CC-Link協(xié)議已經(jīng)獲得許多國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可，如：國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織ISO15745（應(yīng)用集成框架）；IEC國(guó)際組織61784/61158（工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的規(guī)定）；SEMIE54.12；中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19780；韓國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)KSBISO15745-5。CC-Link網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。圖1-9CC-Link網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)（1）CC-Link是基于RS485的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。CC-Link提供高速、穩(wěn)定的輸入/輸出響應(yīng)，并具有優(yōu)越的靈活擴(kuò)展?jié)撃?。?）CC-Link/LT是基于RS485高性能、高可靠性、省配線的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)。它解決了安裝現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電纜配線或不正確的電纜連接。繼承了CC-Link諸如開(kāi)放性、高速和抗噪音等優(yōu)異特點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置和方便的安裝步驟來(lái)降低工時(shí)，適用于小型I/O應(yīng)用場(chǎng)合的低成本型網(wǎng)絡(luò)。（3）CC-LinkSafety專門基于滿足嚴(yán)苛的安全網(wǎng)絡(luò)要求打造而成。（4）CC-LinkIEControl是基于以太網(wǎng)的千兆控制層網(wǎng)絡(luò)，采用雙工傳輸路徑，穩(wěn)定可靠。其核心網(wǎng)絡(luò)打破了各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)或運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的界限，通過(guò)千兆大容量數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)控制層網(wǎng)絡(luò)的分布式控制。憑借新增的安全通信功能，可以在各個(gè)控制器之間實(shí)現(xiàn)安全數(shù)據(jù)共享。作為工廠內(nèi)使用的主干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)在大規(guī)模分布式控制器系統(tǒng)和獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)調(diào)管理。（5）CC-LinkIEField是基于以太網(wǎng)的千兆現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它能夠在連有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情況下，以千兆傳輸速度實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O的“實(shí)時(shí)控制+分布式控制”。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置，增加了安全通信功能和運(yùn)動(dòng)通信功能。在一個(gè)開(kāi)放的、無(wú)縫的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，它集高速I/O控制、分布式控制系統(tǒng)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，可以隨著設(shè)備的布局靈活敷設(shè)電纜。（6）SLMP可使用標(biāo)準(zhǔn)幀格式跨網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫通信，使用SLMP實(shí)現(xiàn)輕松連接，若與CSP+相結(jié)合，可以延伸至生產(chǎn)管理和預(yù)測(cè)維護(hù)領(lǐng)域。CC-Link是高速的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，它能夠同時(shí)處理控制和信息數(shù)據(jù)。在高達(dá)10Mbit/s的通信速度時(shí)，CC-Link可以達(dá)到100m的傳輸距離并能連接64個(gè)邏輯站。CC-Link的特點(diǎn)如下：①

高速和高確定性的輸入輸出響應(yīng)；②CC-Link對(duì)眾多廠商產(chǎn)品提供兼容性；③

傳輸距離容易擴(kuò)展；④

省配線；⑤

依靠RAS功能實(shí)現(xiàn)高可能性；⑥CC-LinkV2.0提供更多功能和更優(yōu)異的性能。CC-Link工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。圖1-10CC-Link工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成與特點(diǎn)

CC-LinkSafety構(gòu)筑最優(yōu)化的工廠安全系統(tǒng)取得GB/Z29496.1.2.3-2013控制與通信網(wǎng)絡(luò)CC-LinkSafety規(guī)范。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，呼吁安全網(wǎng)絡(luò)的重要性，幫助制造業(yè)構(gòu)筑工廠生產(chǎn)線的安全系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)安全系統(tǒng)的節(jié)省配線、提高生產(chǎn)效率、并且與控制系統(tǒng)緊密結(jié)合的安全網(wǎng)絡(luò)。CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-11所示。CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-11所示。圖1-11CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成

CC-LinkSafety的特點(diǎn)如下：①

高速通信的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)10Mbit/s的安全通信速度，憑借與CC-Link同樣的高速通信，可構(gòu)筑具高度響應(yīng)性能的安全系統(tǒng)。②

通信異常的檢測(cè)能實(shí)現(xiàn)可靠緊急停止的安全網(wǎng)絡(luò)，具備檢測(cè)通信延遲或缺損等所有通信出錯(cuò)的安全通信功能，發(fā)生異常時(shí)能可靠停止系統(tǒng)。③

原有資源的有效利用可繼續(xù)利用原有的網(wǎng)絡(luò)資源，可使用CC-Link專用通信電纜，在連接報(bào)警燈等設(shè)備時(shí)，可使用原有的CC-Link遠(yuǎn)程站。④

RAS功能集中管理網(wǎng)絡(luò)故障及異常信息，安全從站的動(dòng)作狀態(tài)和出錯(cuò)代碼傳送至主站管理，還可通過(guò)安全從站、網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，解決前期故障。⑤

兼容產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率化Safety兼容產(chǎn)品開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單，CC-LinkSafety技術(shù)已通過(guò)安全審查機(jī)構(gòu)審查，可縮短兼容產(chǎn)品的安全審查時(shí)間。1．ControlNet的歷史與發(fā)展

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用不僅要求在控制器和工業(yè)器件之間的緊耦合，還應(yīng)有確定性和可重復(fù)性。在ControlNet出現(xiàn)以前，沒(méi)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備或信息層能有效的實(shí)現(xiàn)這樣的功能要求。ControlNet是由在北美（包括美國(guó)、加拿大等）地區(qū)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中技術(shù)和市場(chǎng)占有率穩(wěn)居第一位的美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化公司（RockwellAutomation）于1997年推出的一種新的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。ControlNet是一種最現(xiàn)代化的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，它提供如下功能：（1）在同一鏈路上同時(shí)支持I/O信息，控制器實(shí)時(shí)互鎖以及對(duì)等通信報(bào)文傳送和編程操作。

1.4.7ControlNet（2）對(duì)于離散和連續(xù)過(guò)程控制應(yīng)用場(chǎng)合，均具有確定性和可重復(fù)性。ControlNet廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、汽車制造、冶金、礦山、電力、食品、造紙、石油、化工、娛樂(lè)及很多其他領(lǐng)域的工廠自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化。世界上許多知名的大公司，包括福特汽車公司、通用汽車公司、巴斯夫公司、柯達(dá)公司、現(xiàn)代集團(tuán)公司等以及美國(guó)宇航局等政府機(jī)關(guān)都是ControlNet的用戶。2．ControlNetInternational簡(jiǎn)介

為了促進(jìn)ControlNet技術(shù)的發(fā)展、推廣和應(yīng)用，1997年7月由羅克韋爾等22家公司聯(lián)合發(fā)起成立了控制網(wǎng)國(guó)際組織（ControlNetInternational-CI）。同時(shí)，羅克韋爾自動(dòng)化將ControlNet技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了CI。CI是一個(gè)為用戶和供貨廠商服務(wù)的非盈利性的獨(dú)立組織，它負(fù)責(zé)ControlNet技術(shù)規(guī)范的管理和發(fā)展，并通過(guò)開(kāi)發(fā)測(cè)試軟件提供產(chǎn)品的一致性測(cè)試，出版ControlNet產(chǎn)品目錄，進(jìn)行ControlNet技術(shù)培訓(xùn)等，促進(jìn)世界范圍內(nèi)ControlNet技術(shù)的推廣和應(yīng)用。3．ControlNet簡(jiǎn)介ControlNet是一個(gè)高速的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，在同一電纜上同時(shí)支持I/O信息和報(bào)文信息（包括程序、組態(tài)、診斷等信息），集中體現(xiàn)了控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制（Control）、組態(tài)（Configuration）、采集（Collect）等信息的完全支持，ControlNet基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者這一先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)模型，該模型為網(wǎng)絡(luò)提供更高有效性、一致性和柔韌性。ControlNet協(xié)議的制定參照了OSI7層協(xié)議模型，并參照了其中的1、2、3、4、7層。既考慮到網(wǎng)絡(luò)的效率和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，沒(méi)有像LonWorks一樣采用完整的7層；又兼顧到協(xié)議技術(shù)的向前兼容性和功能完整性，與一般現(xiàn)場(chǎng)總線相比增加了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。這對(duì)于和異種網(wǎng)絡(luò)的互連和網(wǎng)絡(luò)的橋接功能提供了支持，更有利于大范圍的組網(wǎng)。

ControlNet上可連接以下典型的設(shè)備：邏輯控制器（例如可編程邏輯控制器、軟控制器等）；I/O機(jī)架和其他I/O設(shè)備；人機(jī)界面設(shè)備；操作員界面設(shè)備；電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備；

變頻器；機(jī)器人；氣動(dòng)閥門；過(guò)程控制設(shè)備；

網(wǎng)橋/網(wǎng)關(guān)等。AS-i（Actuator-Sensorinterface）是執(zhí)行器-傳感器接口的英文縮寫。它是一種用來(lái)在控制器（主站、Master）和傳感器/執(zhí)行器（從站、Slave）之間雙向交換信息、主從結(jié)構(gòu)的總線網(wǎng)絡(luò)，它屬于現(xiàn)場(chǎng)總線下面設(shè)備級(jí)的底層通信網(wǎng)絡(luò)。

一個(gè)AS-i總線中的主站最多可以帶31個(gè)從站，從站的地址為5位，可以有32個(gè)地址，但“0”地址留作地址自動(dòng)分配時(shí)的特殊用途。一個(gè)AS-i的主站又可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)（Gateway）和PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接，作為它的一個(gè)從站。AS-i總線用于具有開(kāi)關(guān)量特征的傳感器/執(zhí)行器中，也可用于各種開(kāi)關(guān)電器中。AS-i是總線供電，即兩條傳輸線既傳輸信號(hào)，又向主站和從站提供電源。

1.4.8AS-iAS-i主站由帶有AS-i主機(jī)電路板的可編程序控制器（PLC）或工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）組成，它是AS-i總線的核心。AS-i從站一般可分為兩種：第一種是智能型開(kāi)關(guān)裝置，它本身就帶有從機(jī)專用芯片和配套電路，形成一體化從站，這種智能化傳感器/執(zhí)行器或其他開(kāi)關(guān)電器就可以直接和AS-i網(wǎng)線連接。第二種使用專門設(shè)計(jì)的AS-i接口“用戶模塊”。在這種“用戶模塊”中帶有從機(jī)專用芯片和配套電路，它除了有通信接口外，一般還帶有8個(gè)I/O口，這樣它就可以和8個(gè)普通的開(kāi)關(guān)元件相連接構(gòu)成分離型從站。AS-i總線的發(fā)展是由11家公司聯(lián)合資助和規(guī)劃的，并得到德國(guó)科技部的支持，現(xiàn)已成立了AS-i國(guó)際協(xié)會(huì)（AS-InternationalAssociation），它的任務(wù)是規(guī)劃AS-i部件的開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)的定義，進(jìn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化的工作，組織產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和軟件認(rèn)證，以保證AS-i產(chǎn)品的開(kāi)放性和互操作性。P-Net現(xiàn)場(chǎng)總線由丹麥Process-DataA/S公司提出，1984年開(kāi)發(fā)出第一個(gè)多主控器現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品。主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)、飼養(yǎng)、林業(yè)、食品等行業(yè)，現(xiàn)已成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的第一部分、IEC61158類型4。P-Net采用了ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)器和應(yīng)用層。P-Net是一種多主控器主從式總線（每段最多可容納32個(gè)主控器），使用屏蔽雙絞線電纜，傳輸距離1.2km，采用NRZ編碼異步傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率為76.8kbps。P-Net總線只提供了一種傳輸速率，它可以同時(shí)應(yīng)用在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的幾個(gè)層次上，而各層次的運(yùn)輸速率保持一致。這樣構(gòu)成的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使各層次之間的通信不需要特殊的耦合器，幾個(gè)總線分段之間可實(shí)現(xiàn)直接尋址，它又稱為多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.4.9P-Net

P-Net總線訪問(wèn)采用一種“虛擬令牌傳遞”的方式，總線訪問(wèn)權(quán)通過(guò)虛擬令牌在主站之間循環(huán)傳遞，即通過(guò)主站中的訪問(wèn)計(jì)數(shù)器和空閑總線位周期計(jì)數(shù)器，確定令牌的持有者和持有令牌的時(shí)間。這種基于時(shí)間的循環(huán)機(jī)制，不同于采用實(shí)報(bào)文傳遞令牌的方式，節(jié)省了主控制器的處理時(shí)間，提高了總線的傳輸效率，而且它不需要任何總線仲裁的功能。P-Net不采用專用芯片，它對(duì)從站的通信程序僅需幾千字節(jié)的編碼，因此它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于開(kāi)發(fā)和轉(zhuǎn)化。1.5工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

EtherCAT是由德國(guó)BECKHOFF公司開(kāi)發(fā)的，并且在2003年底成立了ETG工作組（EthernetTechnologyGroup）。EtherCAT是一個(gè)可用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的超高速I/O網(wǎng)絡(luò)，它使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層和常規(guī)的以太網(wǎng)卡，介質(zhì)可為雙絞線或光纖。1.以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)能力

目前，有許多方案力求實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)能力。

例如，CSMA/CD介質(zhì)存取過(guò)程方案，即禁止高層協(xié)議訪問(wèn)過(guò)程，而由時(shí)間片或輪循方式所取代的一種解決方案。1.5.1EtherCAT

另一種解決方案則是通過(guò)專用交換機(jī)精確控制時(shí)間的方式來(lái)分配以太網(wǎng)包。

這些方案雖然可以在某種程度上快速準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送給所連接的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，但是，輸出或驅(qū)動(dòng)控制器重定向所需要的時(shí)間以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間都要受制于具體的實(shí)現(xiàn)方式。

一般常規(guī)的工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方法都采用先接收通信幀，進(jìn)行分析后作為數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)模塊的通信方式，而EtherCAT的以太網(wǎng)協(xié)議幀中已經(jīng)包含了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)。2.EtherCAT的運(yùn)行原理

EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，無(wú)需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過(guò)程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個(gè)設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報(bào)文經(jīng)過(guò)其節(jié)點(diǎn)時(shí)讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報(bào)文經(jīng)過(guò)時(shí)插入至報(bào)文中。整個(gè)過(guò)程中，報(bào)文只有幾納秒的時(shí)間延遲。

由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以有效數(shù)據(jù)率可達(dá)90%以上。100Mbit/sTX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數(shù)據(jù)率可大于100Mbit/s。EtherCAT的通信協(xié)議模型如圖1-12所示。圖1-12EtherCAT通信協(xié)議模型3.EtherCAT的技術(shù)特征

EtherCAT是用于過(guò)程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個(gè)EtherCAT報(bào)文，每個(gè)報(bào)文都服務(wù)于一塊邏輯過(guò)程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達(dá)4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通信均得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時(shí)，則直接采用以太網(wǎng)幀傳輸。然而，EtherCAT不僅限于單個(gè)子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCATUDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報(bào)文，這意味著任何以太網(wǎng)協(xié)議棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通信還可以通過(guò)路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性能取決于控制的實(shí)時(shí)特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式。因?yàn)閁DP數(shù)據(jù)報(bào)文僅在第一個(gè)站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時(shí)間基本不受影響。

EtherCAT安全協(xié)議已經(jīng)由德國(guó)技術(shù)監(jiān)督局（TüV）評(píng)估為滿足IEC61508定義的SIL3等級(jí)的安全設(shè)備之間傳輸過(guò)程數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。設(shè)備上實(shí)施EtherCAT安全協(xié)議必須滿足安全目標(biāo)的需求。4.EtherCAT的實(shí)施

由于EtherCAT無(wú)需集線器和交換機(jī)，因此，在環(huán)境條件允許的情況下，可以節(jié)省電源、安裝費(fèi)用等設(shè)備方面的投資，只需使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜和價(jià)格低廉的標(biāo)準(zhǔn)連接器即可。如果環(huán)境條件有特殊要求，則可以依照IEC標(biāo)準(zhǔn)，使用增強(qiáng)密封保護(hù)等級(jí)的連接器。EtherCAT技術(shù)是面向經(jīng)濟(jì)的設(shè)備而開(kāi)發(fā)的，如I/O端子、傳感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀。這些幀由主站設(shè)備發(fā)送，從站設(shè)備只是在以太網(wǎng)幀經(jīng)過(guò)其所在位置時(shí)才提取和/或插入數(shù)據(jù)。因此，EtherCAT使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC，這正是其在主站設(shè)備方面智能化的表現(xiàn)。同樣，EtherCAT從站控制器采用ASIC芯片，在硬件中處理過(guò)程數(shù)據(jù)協(xié)議，確保提供最佳實(shí)時(shí)性能。EtherCAT接線非常簡(jiǎn)單，并對(duì)其它協(xié)議開(kāi)放。5.EtherCAT的應(yīng)用

EtherCAT廣泛適用于：機(jī)器人；機(jī)床；包裝機(jī)械；印刷機(jī)；塑料制造機(jī)器；沖壓機(jī)；半導(dǎo)體制造機(jī)器；試驗(yàn)臺(tái)；測(cè)試系統(tǒng)；抓取機(jī)器；電廠；變電站；材料處理應(yīng)用；行李運(yùn)送系統(tǒng)；舞臺(tái)控制系統(tǒng)；自動(dòng)化裝配系統(tǒng)；紙漿和造紙機(jī)；隧道控制系統(tǒng)；焊接機(jī)；起重機(jī)和升降機(jī)；農(nóng)場(chǎng)機(jī)械；海岸應(yīng)用；鋸木廠；窗戶生產(chǎn)設(shè)備；樓宇控制系統(tǒng)；鋼鐵廠；風(fēng)機(jī)；家具生產(chǎn)設(shè)備；銑床；自動(dòng)引導(dǎo)車；娛樂(lè)自動(dòng)化；制藥設(shè)備；木材加工機(jī)器；平板玻璃生產(chǎn)設(shè)備；稱重系統(tǒng)。SERCOS（SerialReal-timeCommunicationSpecification，串行實(shí)時(shí)通信協(xié)議）是一種用于工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備的控制單元和數(shù)字伺服裝置之間高速串行實(shí)時(shí)通信的數(shù)字交換協(xié)議。1986年，德國(guó)電力電子協(xié)會(huì)與德國(guó)機(jī)床協(xié)會(huì)聯(lián)合召集了歐洲一些機(jī)床、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和CNC設(shè)備的主要制造商（Bosch，ABB，AMK，Banmuller，Indramat，Siemens，PacificScientific等）組成了一個(gè)聯(lián)合小組。

該小組旨在開(kāi)發(fā)出一種用于數(shù)字控制器與智能驅(qū)動(dòng)器之間的開(kāi)放性通信接口，以實(shí)現(xiàn)CNC技術(shù)與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的分離，從而使整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)能夠模塊化、可重構(gòu)與可擴(kuò)展，達(dá)到低成本、高效率、強(qiáng)適應(yīng)性地生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的目的。

1.5.2SERCOS

經(jīng)過(guò)多年的努力，此技術(shù)終于在1989年德國(guó)漢諾國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上展出，這標(biāo)志著SERCOS總線正式誕生。1995年，國(guó)際電工委員會(huì)把SERCOS接口采納為標(biāo)準(zhǔn)IEC61491，1998年，SERCOS接口被確定為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61491。2005年基于以太網(wǎng)的SERCOSⅢ面世，并于2007年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158/61784。迄今為止，SERCOS已發(fā)展了三代，SERCOS接口協(xié)議成為當(dāng)今唯一專門用于開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了國(guó)際大多數(shù)數(shù)控設(shè)備供應(yīng)商的認(rèn)可。到今天已有二百多萬(wàn)個(gè)SERCOS站點(diǎn)在工業(yè)實(shí)際中使用，超過(guò)50個(gè)控制器和30個(gè)驅(qū)動(dòng)器制造廠推出了基于SERCOS的產(chǎn)品。

SERCOS接口技術(shù)是構(gòu)建SERCOS通信的關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)SERCOS協(xié)會(huì)組織和協(xié)調(diào)，推出了一系列SERCOS接口控制器，通過(guò)它們便能方便地在數(shù)控設(shè)備之間建立起SERCOS通信。SERCOS目前已經(jīng)發(fā)展到了SERCOSIII，繼承了SERCOS協(xié)議在驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域的優(yōu)良實(shí)時(shí)和同步特性，是基于以太網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)總線，物理傳輸介質(zhì)也從僅僅支持光纖擴(kuò)展到了以太網(wǎng)線CAT5e，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也支持線性結(jié)構(gòu)。1.SERCOS總線的技術(shù)特性SERCOS總線協(xié)議具有如下技術(shù)特性：（1）標(biāo)準(zhǔn)性SERCOS標(biāo)準(zhǔn)是唯一的有關(guān)運(yùn)動(dòng)控制的國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)。其所有的底層操作、通信、調(diào)度等，都按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)計(jì)，具有統(tǒng)一的硬件接口、通信協(xié)議、命令碼IDN等。其提供給用戶的開(kāi)發(fā)接口、應(yīng)用接口、調(diào)試接口等都符合SERCOS國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)IEC61491。（2）開(kāi)放性SERCOS技術(shù)是由國(guó)際上很多知名的研究運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的廠家和組織共同開(kāi)發(fā)的，SERCOS的體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)細(xì)節(jié)等都是向世界公開(kāi)的，SERCOS標(biāo)準(zhǔn)的制定是SERCOS開(kāi)放性的一個(gè)重要方面。（3）兼容性因?yàn)樗械腟ERCOS接口都是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，支持不同廠家的應(yīng)用程序，也支持用戶自己開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序。接口的功能與具體操作系統(tǒng)、硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)，不同的接口之間可以相互替代，移植花費(fèi)的代價(jià)很小。（4）實(shí)時(shí)性SERCOS接口的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定SERCOS總線采用光纖作為傳輸環(huán)路，支持2/4/8/16Mbit/s的傳輸速率。（5）擴(kuò)展性每一個(gè)SERCOS接口可以連接8個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果需要更多的節(jié)點(diǎn)則可以通過(guò)SERCOS接口的級(jí)聯(lián)方式擴(kuò)展。通過(guò)級(jí)聯(lián)，每一個(gè)光纖環(huán)路上可以最多有254個(gè)節(jié)點(diǎn)。另外SERCOS總線接口還具有抗干擾性能好、即插即用等其他優(yōu)點(diǎn)。2.SERCOSIII總線（1）SERCOSIII總線概述

由于SERCOSIII是SERCOSII技術(shù)的一個(gè)變革，與以太網(wǎng)結(jié)合以后，SERCOS技術(shù)已經(jīng)從專用的伺服接口向廣泛的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)變。原來(lái)的優(yōu)良的實(shí)時(shí)特性仍然保持，新的協(xié)議內(nèi)容和功能擴(kuò)展了SERCOS在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

在數(shù)據(jù)傳輸上，硬件連接既可以應(yīng)用光纜也可以用CAT5e電纜；報(bào)文結(jié)構(gòu)方面，為了應(yīng)用以太網(wǎng)的硬實(shí)時(shí)的環(huán)境，SERCOSIII增加了一個(gè)與非實(shí)時(shí)通道同時(shí)運(yùn)行的實(shí)時(shí)通道。該通道用來(lái)傳輸SERCOSIII報(bào)文，也就是傳輸命令值和反饋值；參數(shù)化的非實(shí)時(shí)通道與實(shí)時(shí)通道一起傳輸以太網(wǎng)信息和基于IP協(xié)議的信息，包括TCP/IP和UDP/IP。數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀來(lái)傳輸，這樣實(shí)時(shí)通道和非實(shí)時(shí)通道可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置。SERCOSIII系統(tǒng)是基于環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的。SERCOSIII協(xié)議是建立在已被工業(yè)實(shí)際驗(yàn)證的SERCOS協(xié)議之上，它繼承了SERCOS在伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的高性能高可靠性，同時(shí)將SERCOS協(xié)議搭載到以太網(wǎng)的通信協(xié)議IEEE802.3之上，使SERCOSIII迅速成為基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的總線。

針對(duì)前兩代SERCOS，SERCOSIII的主要特點(diǎn)：高的傳輸速率，達(dá)到全雙工100Mbit/s；采用時(shí)間槽技術(shù)避免了以太網(wǎng)的報(bào)文沖突，提高了報(bào)文的利用率；向下兼容，兼容以前SERCOS總線的所有協(xié)議；降低了硬件的成本；集成了IP協(xié)議；使從站之間可以交叉通信CC（CrossCommunication）；支持多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器的同步C2C（ControltoControl）；擴(kuò)展了對(duì)I/O等控制的支持；支持與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)的傳輸；增加了通信冗余、容錯(cuò)能力和熱插拔功能。（2）SER